科学：北京航空航天大学の侯慧龍がニッケルチタン合金の応力冷凍材料を3Dプリント

出典：材料科学工学WeChat公式アカウント、著者：侯慧龍

2019年11月29日、北京航空航天大学の侯慧龍准教授が、世界トップクラスの学術誌「サイエンス」に第一著者として最新の研究成果を発表しました。論文のタイトルは「付加製造法で作られた疲労に強い高性能弾性熱量材料」です。この論文では、付加的に製造された応力冷凍材料により、長寿命で高性能な金属冷媒の独自の微細構造制御を実現できることがわかった。疲労耐性のある高性能ニッケルチタン合金が利用可能になったことで、固体冷凍技術を最適化するための積層造形の可能性が実証されました。この記事を紹介してくださったHou Huilong先生に感謝します。

記事リンク:
https://science.sciencemag.org/content/366/6469/1116

空調と冷蔵は毎年世界の電力の約5分の1を消費します。過去 10 年間で、より効率的で環境に優しい冷凍技術が急速に発展しました (Science 311, 1270-1271 (2006); Nature Materials, 13, 439-450 (2014); Science 355, 1062-1066 (2017); Nature 567, 506-510 (2019))。近年、固体冷凍技術（磁気熱量冷凍、機械熱量冷凍、電気熱量冷凍など）が注目を集めています。

応力冷却（または弾性熱量冷却、機械的熱量冷却の一種）は、外部応力場の適用と除去によって材料の結晶構造の対称性が可逆的に変化し、材料が熱を放出および吸収するプロセスです。ストレス冷凍技術は、2012 年にメリーランド大学で発明されました。潜熱効率が非常に高いため、2014 年に米国エネルギー省が数えた蒸気圧縮冷凍に代わる 17 のオプション技術の中で第 1 位にランクされました。同時に、実用化に近づくために、応力冷凍プロトタイプや応力蓄熱ヒートポンプも開発されています。しかし、応力を受けた冷凍材料の熱ヒステリシスは冷凍システムの効率を制限し、冷凍性能の長期安定性への影響はまだ解決されていません。

ニッケルチタン合金の付加製造により、効率的な熱力学的特性と極めて狭いヒステリシスを備えた応力冷凍材料を製造できます。粉末レーザー指向性エネルギー堆積技術における局所溶融と急速冷却の特性を活用した、精巧に設計された「プロセス-微細構造-特性-性能」戦略により、元素粉末の割合が調整され、ほぼ共晶組成の混合物が実現され、二元合金マトリックスに埋め込まれたニッケルを豊富に含む金属間化合物のナノ複合微細構造が実現されます。得られた応力冷却材料は、準線形応力-ひずみ挙動において極めて小さな応力ヒステリシスを示し、その材料効率は通常の場合の4～7倍高く、100万サイクルを超える繰り返し応力冷却性能を備えています。

図 1: A. 粉末レーザー指向性エネルギー堆積技術の概略図。B. NiTi 合金の状態図。C. 例として、柱状、管状、ハニカム構造が得られました。F. 等温荷重時の各材料の挙動の比較。G. 断熱荷重時の各材料の挙動の比較。H. 各材料のヒステリシス特性と効率の比較。

高度なその場負荷シンクロトロン X 線回折特性評価とマイクロメカニカルモデリングを組み合わせることで、二元合金マトリックスとニッケルを多く含む金属間化合物間の相互作用メカニズムが明らかになりました。実験観察に基づいて、入力エネルギー散逸率と応力冷凍材料の機能的故障サイクルとの間の現象的相関関係が確立され、予備的な実験統計は、この相関関係が固体冷凍材料に普遍的に適用可能であることを示しており、革新的な方法で長寿命材料の製造、選択、エンジニアリング設計に科学的根拠を提供し、効率的で安定した固体冷凍技術の構築にとって重要な科学的および技術的意義を持っています。

この図は、積層造形法で製造された耐疲労性、高性能な応力冷却材料の概略図を示しています。 (右上) 粉末供給装置を使用して元素粉末を供給し、それらを混合して共晶組成に近い組成を形成します。レーザーは焦点を合わせるとエネルギーを供給します。(中央) 混合された元素粉末はレーザーによって溶融され、局所的な溶融池を形成します。局所的な溶融池が連続的に移動すると、コンポーネントのさまざまな部分が順番に形成されます。(背景) 例として、ハニカムコンポーネントの形状と高さが順番に形成されます。

この研究は最近『サイエンス』誌に掲載されました。この研究は、2019年9月に北京航空航天大学から紹介された米国メリーランド大学の若手教師ホウ・フイロン氏が筆頭著者となり、共同研究者らによって完成され、米国エネルギー省エネルギー高等研究計画局、同省先進製造業局、同省科学局、米国国立科学財団などから資金提供を受けた。今後の研究は、北京航空航天大学を拠点とし、航空宇宙機の特殊冷凍技術に対する国内の主要なニーズに応え、航空航天学院の専門分野（航空機の構造強度、人間機械環境工学を含む）と組み合わせ、材料科学工学院、機械工学・自動化学院、国内外の関連機関と協力して実施される。

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